復(fù)雜環(huán)境下高承壓水粉細(xì)砂層盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固關(guān)鍵技術(shù)

范根先

摘要：以武漢市軌道交通工程6號線16標(biāo)段唐家墩站-石橋站區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)出洞施工為背景，詳細(xì)闡述了復(fù)雜環(huán)境下高承壓水粉細(xì)砂層盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固的關(guān)鍵技術(shù)，有效控制了盾構(gòu)進(jìn)出洞施工對周邊構(gòu)建筑物的影響，確保了周邊建構(gòu)筑物的安全和盾構(gòu)機(jī)的安全進(jìn)出洞。

Abstract： Taking interval shield tunnel construction of Wuhan rail transit line 6 project 16 tenders Tangjiadun Station-Shiqiao Station as background， this paper discusses soil reinforcement technology of high pressure water fine sand layers shield tunnel in complex environment， which effectively controls the influence of shield tunnel construction on surrounding buildings， and ensures the safety of the surrounding buildings and the safety of the shield machine.

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境；高承壓水粉細(xì)砂層；盾構(gòu)進(jìn)出洞；土體加固；強(qiáng)降水；沉降影響

Key words： complex environment；high pressure water fine sand layer；shield tunnel；soil reinforcement；precipitation；settlement effect

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0124-03

0 引言

盾構(gòu)法因其具有較好的地層適應(yīng)性和較高的安全系數(shù)，已廣泛運(yùn)用于國內(nèi)外城市軌道交通工程。盾構(gòu)法常規(guī)施工技術(shù)日趨成熟，但在復(fù)雜環(huán)境、高承壓水粉細(xì)砂層、周邊建構(gòu)筑物沉降要求苛刻的盾構(gòu)接收過程中易產(chǎn)生流砂、涌水，降水效果差、周邊建構(gòu)筑物沉降超限等突發(fā)情況，施工安全風(fēng)險非常高，易造成重大安全事故。

本文以武漢市軌道交通工程6號線唐家墩站～石橋站區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)出洞施工為背景，在承壓水、滲透系數(shù)大的粉細(xì)砂地層、周邊建構(gòu)筑物復(fù)雜、主城立交橋有限空間等條件下，創(chuàng)新采用水平定點注漿+強(qiáng)降水的施工方法，成功解決了復(fù)雜環(huán)境下高承壓水粉細(xì)砂層盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固施工的關(guān)鍵技術(shù)，確保了周邊建構(gòu)筑物的安全和盾構(gòu)機(jī)的安全進(jìn)出洞。

1 工程簡介

1.1 工程概況

武漢市軌道交通工程6號線16標(biāo)唐家墩站～石橋站區(qū)間唐家墩站為地下三層車站，車站主體結(jié)構(gòu)高度為23.401m，寬度27m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。盾構(gòu)隧道底埋深25.2m。

1.2 工程地質(zhì)水文

區(qū)間位于長江一級階地，地下水豐富，地下水位高。區(qū)間下穿段地質(zhì)主要為3-5粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層、4-1粉砂層、4-2粉細(xì)砂層。

1.3 原設(shè)計盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固效果檢查

2016年4月10日發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道左、右線進(jìn)出洞門存在不同程度的漏水，局部漏水存在帶砂現(xiàn)象。2016年4月14、15日，分別對左、右線洞門鉆孔探查土體加固質(zhì)量，在洞門左下、正下、右下角開設(shè)Φ50mm探孔，計劃取芯深度3m，各探孔鉆至1.5m時，均出現(xiàn)流水、流砂現(xiàn)象，且呈噴射狀態(tài)，判斷原設(shè)計土體加固質(zhì)量不滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞條件。

2 周邊建構(gòu)筑物及管線調(diào)查

2.1 建構(gòu)筑物現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)調(diào)查，周邊建構(gòu)筑物較為復(fù)雜、安全風(fēng)險高。車站上方為姑嫂樹路高架橋和二環(huán)線唐家墩立交橋，車站東北角為31層頂繡晶城住宅樓，西北角為8層發(fā)展大廈，東南角為7層全國服裝貿(mào)易中心，西南角為中央錦城。具體統(tǒng)計如表1。

2.2 地下管線現(xiàn)狀調(diào)查

唐家墩站盾構(gòu)接收端地處漢口中心城區(qū)，在本工程范圍內(nèi)道路沿線現(xiàn)狀地下管線較多，有給水、雨水、污水、電力、電信、有線電視、路燈及交通信號等管線。具體統(tǒng)計如表2。

3 原設(shè)計加固方案失效及原因分析

武漢市軌道交通工程6號線唐家墩站～石橋站區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)出洞施工，存在承壓水、滲透系數(shù)大的粉細(xì)砂地層、周邊建構(gòu)筑物復(fù)雜、主城立交橋有限空間等施工難度，而原設(shè)計加固方案中的盾構(gòu)法雖然日趨成熟，但在復(fù)雜環(huán)境、高承壓水粉細(xì)砂層、周邊建構(gòu)筑物沉降要求苛刻的盾構(gòu)接收過程中易產(chǎn)生流砂、涌水，降水效果差、周邊建構(gòu)筑物沉降超限等突發(fā)情況，施工安全風(fēng)險非常高，易造成重大安全事故。

3.1 原設(shè)計土體加固方案

3.1.1 旋噴樁土體加固方案

采用？準(zhǔn)800@600mm（靠近車站端頭4m范圍及素地連墻內(nèi)側(cè)2排旋噴樁采用？準(zhǔn)800@500旋噴樁）的高壓旋噴樁加固盾構(gòu)進(jìn)出洞土體。加固寬度為隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)3m，豎向加固范圍為結(jié)構(gòu)上下各3m范圍，旋噴樁樁長28.5m，加固有效長度12m，左、右線各443根+28根（止?jié){縫處）。在素混凝土地下連續(xù)墻接縫處設(shè)置3根旋噴樁，在素混凝土地下連續(xù)墻與車站結(jié)構(gòu)搭接處設(shè)置5根旋噴樁，樁長28.5m。

3.1.2 外包地連墻止水帷幕

區(qū)間左、右線端頭井旋噴樁外側(cè)四周設(shè)置寬度800mm素混凝土地下連續(xù)墻，成槽深度47m，槽底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖層，采用C15水下砼灌注。墻體與唐家墩站地下連續(xù)墻形成四周“口”型封閉的止水帷幕。

3.1.3 墻內(nèi)降水兼觀測井

左、右線設(shè)計降水井兼觀測井共6口，單井深度40m，井徑600mm。降水井管全部采用鋼質(zhì)焊管，其中井壁管長度為27m，壁厚6mm，過濾管長度為13m，壁厚6mm，管徑250mm。自井底至井深15m的承壓含水層深度段換填硅質(zhì)圓礫，以形成良好的人工反濾層，在井口至井深25m段換填粘土球以進(jìn)行管外封填。

3.2 加固土體失效原因分析

3.2.1 加固土體探孔檢驗

2016年4月10日發(fā)現(xiàn)左線、右線車站地下連續(xù)墻和加固體之間存在不同程度的漏水，局部漏水存在帶砂現(xiàn)象。

2016年4月14日，為檢查左線接收端土體加固質(zhì)量，對洞門1#、3#、5#、7#、9#孔位進(jìn)行了探孔檢查。探孔孔徑Φ50mm，計劃取芯深度3m，探孔鉆至2m時，出現(xiàn)流水、流砂現(xiàn)象，芯樣呈液態(tài)流塑狀。立即用木楔塞牢洞門探孔，判定土體加固失效，不滿足盾構(gòu)接收條件。

3.2.2 土體加固失效原因分析

①在高承壓水全斷面粉砂層地質(zhì)條件下，采用旋噴樁加固很難達(dá)到土體加固的均勻性及強(qiáng)度。旋噴樁加固時水泥漿液在高承壓水高滲透性粉細(xì)砂地層易隨地下水流失或貫入度不足，難以與土層粉細(xì)砂形成完整勻質(zhì)的加固體。此外，該進(jìn)出洞土體加固深度達(dá)28.2m，按設(shè)計搭接長度及垂直度要求，下部旋噴樁咬合很難達(dá)到，加固效果必大打折扣。

②左線接收端土體加固完成后進(jìn)行車站施工，基坑開挖施工過程中存在地下連續(xù)墻收斂，致使加固體與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)間形成縫隙，該縫隙貯存了大量富水泥砂。初步判斷，探孔中涌出的是該部分泥砂。

③由于車站深基坑施工降水，加固體土層在失水沉降作用下，整體性受到了影響。同時，在車站施工時，地下連續(xù)墻接縫漏水漏砂，車站數(shù)次搶險，在接近加固體處搶險一次。原地下連續(xù)墻接縫漏水漏砂對加固區(qū)的整體性、完整性也形成了一定影響。

4 盾構(gòu)進(jìn)出洞土體再加固關(guān)鍵技術(shù)

針對原設(shè)計土體加固質(zhì)量不滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞條件，需對土體進(jìn)行重新加固，項目部采用水平定點注漿加固土體，填充地下連續(xù)墻墻縫及與車站地下連續(xù)墻接縫，擠密富水粉細(xì)砂層，固結(jié)加固土體；在水平定點注漿完成后，在盾構(gòu)進(jìn)出洞影響范圍內(nèi)布設(shè)29口降水井，坑內(nèi)降水以減小承壓水水位為目的，降水至隧道底1.0m以下，坑外降水以降壓、泄壓為目的，降水至隧道腰部以下，達(dá)到盾構(gòu)接收條件。

4.1 水平定點注漿加固關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 水平定點注漿孔位設(shè)計

沿洞圈設(shè)置三圈水平注漿管，梅花形布置、水平噴入管注漿孔，注漿孔長度7m、5m、4m、2m四種規(guī)格，加固體有效長度為6m。

外圈環(huán)向間距1.037m，中圈環(huán)向間距1.445m，內(nèi)圈環(huán)向間距0.822m，徑向間距1m。

①外圈在洞圈外緣設(shè)置20孔，編號為單數(shù)的注漿孔管長2m，徑向外偏25°。雙數(shù)孔W-4、W-6、W-8、W-14、W-16、W-18共6孔、管長為7m，徑向外偏7°，其余雙數(shù)孔管長5m，徑向外偏15°。②中圈設(shè)置10孔，編號為Z，單數(shù)的注漿孔管長4m，雙數(shù)孔管長7m。③內(nèi)圈設(shè)置11孔，編號為N，單數(shù)的注漿孔管長4m，雙數(shù)孔管長7m。

4.1.2 鉆孔及注漿管安裝

鉆孔采用取芯機(jī)成孔，鉆頭直徑Φ50mm，按照預(yù)設(shè)角度打設(shè)注漿孔。鉆孔達(dá)到預(yù)定深度后埋入Φ25mmPVC管，采用快硬水泥封堵孔口，連接好球閥及三通管。

4.1.3 注漿漿液配合比設(shè)計

水平定點注漿加固采用水泥漿-水玻璃液的雙液漿液，主要材料為普通硅酸鹽水泥和40Be水玻璃。

雙漿液配比A液水：水泥=1：1，B液水：水玻璃=2：1，A液：B液（體積比）=1：1。

4.1.4 注漿施工

注漿時以壓力控制為準(zhǔn)，控制注漿壓力在2.0～2.5 MPa（以盾構(gòu)進(jìn)出洞土體水土壓力的2～3倍進(jìn)行計算）。注漿結(jié)束后對注漿孔進(jìn)行密封，恢復(fù)原狀。

4.2 降水關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 涌水量計算

管井降水出水量按“大井”法承壓完整井公式計算： Q=2.73kMS/（lgR0-lgγ0）

Q-降水出水量（m3/d）；M-含水層厚度（m）；k-導(dǎo)水系數(shù)，按降水經(jīng)驗，取k=15m/d；S-洞門中心水位降，按上述抗突涌驗算；R-降水期間影響半徑，取R=250～280m；γ0-大井圓概化半徑。

經(jīng)計算結(jié)果唐家墩站大里程：Q=20660m3/d。

4.2.2 降水井?dāng)?shù)量計算及布置

根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果，取干擾井群單井出水量q=1920m3/d，則需降水井?dāng)?shù)量為：

N=Q/q

唐家墩站北端頭井：N=11口。

經(jīng)優(yōu)化布置，天漢降水軟件模擬計算后，為確保坑內(nèi)承壓水降低至隧道底以下1.0m，達(dá)到左、右線盾構(gòu)接收的條件，故降水井設(shè)計為強(qiáng)降水（安全系數(shù)不小于2.5），降水井?dāng)?shù)量設(shè)計為左線15口（含坑內(nèi)5口）、右線14口（含坑內(nèi)6口）。（圖3）

4.2.3 降水對周邊環(huán)境影響理論分析

根據(jù)武漢地區(qū)類似降水引起周邊地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在距洞門周邊10倍于水位下降值范圍處，其沉降量僅為最大沉降量的45%，而相當(dāng)于30倍水位下降值范圍處，其沉降量僅為最大沉降量的12%左右，根據(jù)地面沉降等值線圖，唐家墩站盾構(gòu)接收端最大沉降為22.5mm，其不均勻沉降率<1‰。

因此對于洞門附近的樁基礎(chǔ)建筑物，降水所產(chǎn)生的沉降對其影響較小。但對于淺基礎(chǔ)的建（構(gòu)）筑物來說，降水會對其產(chǎn)生不同程度的影響，但只要降水井的出水含砂量控制好，抽排水量的順序組織合理，亦不致危害這些建（構(gòu)）筑物的安全使用。

5 結(jié)論

①武漢市軌道交通6號線16標(biāo)唐家墩站～石橋站區(qū)間左、右線盾構(gòu)機(jī)先后于2016年5月18日、6月11日安全、順利的實現(xiàn)了接收。周邊建構(gòu)筑物累計最大沉降7.6mm，管線累計最大沉降6.8mm，有效控制了盾構(gòu)接收、強(qiáng)降水施工對周邊建構(gòu)筑物、管線的影響。

②實際效果表明在選好高承壓水粉細(xì)砂層盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固方法，控制好強(qiáng)降水出水含砂量，及時跟進(jìn)二次注漿環(huán)箍止水和洞門封堵，加強(qiáng)施工監(jiān)測、合理組織施工生產(chǎn)、優(yōu)化施工工序等工作，復(fù)雜環(huán)境下高承壓水粉細(xì)砂層盾構(gòu)接收是切實可行的，確保了周邊建構(gòu)筑物、管線的安全，確保了盾構(gòu)機(jī)安全、順利的進(jìn)出洞。

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